新能源汽車全塑車身先進(jìn)制造技術(shù)

新能源汽車全塑車身先進(jìn)制造技術(shù)

0汽車車載輕量化是汽車產(chǎn)品發(fā)展的必然要求近年來，中國汽車產(chǎn)量增加，汽車產(chǎn)量工業(yè)成為市場經(jīng)濟(jì)的重要支柱。但隨著汽車產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展,也帶來了環(huán)境污染和能源短缺兩大嚴(yán)重的負(fù)面影響車身輕量化是新能源汽車領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一,汽車輕量化已經(jīng)成為世界各國汽車制造商最新核心競爭力的體現(xiàn)。未來的汽車將是更加安全、輕便、舒適、環(huán)保、具有經(jīng)濟(jì)性,結(jié)構(gòu)可以完美地與其使用要求相吻合,并且低排放、低能耗、高安全性是汽車產(chǎn)品發(fā)展的最終目標(biāo)。因此,汽車輕量化是必然的選擇。汽車車身輕量化技術(shù)包含了許多新理論、新材料、新工藝。汽車車身塑化制造輕量化是在保證汽車強(qiáng)度和安全性能的前提下,盡可能降低車身的質(zhì)量,從而提高汽車的動(dòng)力利用率,減少能源消耗,降低環(huán)境污染。目前國內(nèi)外的各大研究機(jī)構(gòu)和汽車制造廠商都在致力研究優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)及零部件結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì),歐洲的汽車自重與10年前相比平均減輕20%~26%,并且在某些結(jié)構(gòu)部位呈現(xiàn)出“以鋁代鋼”、“以塑帶鋼”的趨勢;美國汽車零件的復(fù)合材料用量達(dá)數(shù)十萬噸。北京化工大學(xué)與寧波格林美孚新材料科技有限公司以及溫嶺市旭日滾塑科技有限公司經(jīng)過多年合作研發(fā),已成功攻關(guān)了全塑車身整體一次成型技術(shù),如圖1所示。1汽車全塑變“干”的設(shè)計(jì)全塑車身輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),主要涉及開發(fā)新的設(shè)計(jì)方法、創(chuàng)新結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車車身的精簡、整體化、輕量化。設(shè)計(jì)主要采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)/計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)/計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)一體化技術(shù)將離散拓?fù)鋬?yōu)化與結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化相結(jié)合,運(yùn)用有限元分析技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)及工藝過程分析,結(jié)合參數(shù)反演技術(shù)、多目標(biāo)全局優(yōu)化等現(xiàn)代汽車工業(yè)設(shè)計(jì)方法,對(duì)汽車總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和優(yōu)化。由于所選擇的對(duì)象是高分子材料全塑車身,因此整個(gè)設(shè)計(jì)思路擯棄了金屬車身的分塊拼裝、焊接方法;此外,旋塑成型工藝的優(yōu)勢是適合制備大型及超大型中空塑料制品,可以整體加工復(fù)雜曲面的塑料制品,滿足汽車外觀的線條流線型和圓滑曲面,如圖2所示為所設(shè)計(jì)的全塑車身整體一次成型結(jié)構(gòu)。因此在滿足設(shè)計(jì)性能要求的前提下,全塑車身輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)盡可能使整體車身薄壁化、中空化、小型化、復(fù)合化,用形狀優(yōu)化實(shí)現(xiàn)汽車車身的輕量化,以獲得最輕的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。2全塑變跨車復(fù)合材料的制備高分子材料在超輕汽車車身的加工中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用,尤其是聚乙烯(PE),因其加工成型溫度廣,在旋塑成型超輕汽車車身中越來越受重視。但是采用旋塑成型制備的純PE制品收縮率大、力學(xué)性能差,雖然通過加厚車身或在車身內(nèi)預(yù)埋龍骨的方法能起到一定作用,但是會(huì)加大車身的質(zhì)量,且增加加工難度,無法實(shí)現(xiàn)真正意義的超輕汽車車身。此外,如果單純通過添加纖維增強(qiáng)改性,無論是預(yù)先混合還是后混合都無法使纖維與原料均勻混合,所加工的旋塑汽車車身制品力學(xué)性能不穩(wěn)定。圖3所示為纖維增強(qiáng)微分發(fā)泡超輕汽車車身旋塑成型方法所加工的纖維增強(qiáng)微發(fā)泡復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示意圖。該全塑車身超輕纖維增強(qiáng)微分發(fā)泡技術(shù)首先利用混合機(jī)對(duì)原料粉末顆粒和纖維進(jìn)行混合,形成混合物:然后,利用高壓容器對(duì)上述得到的混合物進(jìn)行微發(fā)泡,形成纖維增強(qiáng)微發(fā)泡復(fù)合材料;最后再利用旋塑成型機(jī)纖維增強(qiáng)微發(fā)泡復(fù)合材料進(jìn)行加工,制備超輕汽車車身。3旋塑設(shè)備烘箱溫度場模擬分析熱空氣對(duì)流,明火直燒和液體導(dǎo)熱是旋塑成型通常采用3種加熱方式。其中熱空氣對(duì)流加熱方式清潔、安全,且容易控制旋塑設(shè)備烘箱內(nèi)的溫度場,因此,熱空氣對(duì)流加熱方式被選作為全塑車身整體塑化一次成型的加工方法。但由于旋塑設(shè)備烘箱內(nèi)部的熱空氣時(shí)刻都處于運(yùn)動(dòng)變化的狀態(tài),且由于車身結(jié)構(gòu)尺寸大、形狀復(fù)雜,有效地控制旋塑設(shè)備烘箱中車身模具工作區(qū)域的熱空氣溫度場便是保證全塑車身整體一次成型的關(guān)鍵。本文利用Fluent流體力學(xué)軟件來模擬分析旋塑設(shè)備烘箱內(nèi)溫度場的分布,保證車身模具旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的空間區(qū)域的溫度能快速達(dá)到工作溫度,并保證持續(xù)、均勻、穩(wěn)定。圖4所示為全塑車身旋塑成型有限元分析模型。首先利用Fluent軟件,對(duì)穿梭式旋塑成型機(jī)的烘箱溫度場進(jìn)行模擬分析。如圖5所示,首先針對(duì)溫度場不均勻的現(xiàn)象,模擬分析烘箱內(nèi)部的溫度場和速度場分布;得出烘箱溫度場和速度場的分布情況以后,仿佛優(yōu)化結(jié)構(gòu)模型,分析原因并提出改進(jìn)方案,最后根據(jù)模擬分析的指導(dǎo)方案,如圖6所示。最后根據(jù)優(yōu)化結(jié)果,改進(jìn)旋塑成型機(jī)烘箱及風(fēng)道的結(jié)構(gòu)形式,并進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),驗(yàn)證改進(jìn)后的出風(fēng)口結(jié)構(gòu)是否能有效地控制烘箱內(nèi)溫度場的分布,縮短烘箱內(nèi)的升溫時(shí)間,提高全塑車身的質(zhì)量精度。4多通道無線測溫溫度是影響旋塑成型工藝的主要因素,在旋塑成型工藝控制參數(shù)中:設(shè)備結(jié)構(gòu)、模具結(jié)構(gòu)和聚合物原材料一定的情況下,旋塑成型的溫度參數(shù)對(duì)制品的質(zhì)量有直接的影響,尤其是加工大型復(fù)雜制品時(shí),溫度參數(shù)的精確控制保證制品質(zhì)量精度的關(guān)鍵。目前的旋塑成型工藝主要應(yīng)用于加工大型塑料容器、戶外設(shè)施,對(duì)尺寸進(jìn)度和力學(xué)性能的要求較低,因此,旋塑裝備大都沒有配備溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置,很難控制旋塑成型工藝過程中烘箱內(nèi)部各點(diǎn)的溫度。因此,為了保證全塑車身加工的精度,北京化工大學(xué)與溫嶺市旭日滾塑科技有限公司聯(lián)合開發(fā)了多通道無線測溫裝置,可以對(duì)烘箱內(nèi)部多點(diǎn)的溫度、模具內(nèi)外壁的溫度和物料的溫度變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。測溫原理圖如圖7所示。該無線測溫儀設(shè)置4個(gè)通道,可以精確地監(jiān)測旋塑成型工藝過程中的溫度參數(shù)。該無線測溫裝置主要包括信息采集模塊、信息處理模塊、FSK射頻發(fā)射器、內(nèi)部電源、FSK射頻接收器、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),如圖8所示為該無線測溫儀零件。其中,信息采集模塊包括4個(gè)K型熱電偶,用于測量不同點(diǎn)的溫度。1個(gè)K型熱電偶安裝在車身模具的內(nèi)部空間中,測量旋塑成型過程中物料的溫度變化;1個(gè)K型熱電偶安裝在車身模具的內(nèi)壁上,測量旋塑成型過程中車身模具的內(nèi)壁溫度變化;1個(gè)K型熱電偶安裝在車身模具的外壁上,測量滾塑成型過程中車身模具的外壁溫度變化;1個(gè)K型熱電偶均勻布置安裝在旋塑設(shè)備的模具架上,測量旋塑成型過程中烘箱內(nèi)部的溫度變化。如圖9所示為安裝在模具架上對(duì)工藝過程進(jìn)行監(jiān)測的無線測溫儀,圖10為測溫儀對(duì)4個(gè)點(diǎn)的監(jiān)測曲線。5復(fù)雜異形模具單元分割組合成型工藝此外,一次加工成型全塑車身對(duì)模具的加工精度、開合模速度、制品統(tǒng)一性有更高的要求。目前旋塑模具普遍采用的制作方法主要有鋁合金鑄模、鋁合金焊接模和鋼板焊接模3種類型,模具的組裝方式基本都是考慮方便制品脫模而采用大量的螺栓連接固定。對(duì)于加工像全塑車身類形狀復(fù)雜的制品,模具體積和質(zhì)量大、表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜,若采用不規(guī)則多個(gè)方向模具的分塊方式,安裝、拆卸模具時(shí)需要翻轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)模具角度,造成開合模難度大、效率低,且當(dāng)拆卸大塊局部復(fù)雜結(jié)構(gòu)的分塊模具時(shí),容易使其裝配精度降低,分塊模具之間的安裝配合錯(cuò)位。鑒于此,我們采用大型復(fù)雜鋁合金模具單元分割組合成型的方法,對(duì)全塑車身模具進(jìn)行三維單元分塊,如圖11所示。該模具分塊方法主要針對(duì)模具型腔的形狀,直接把所制復(fù)雜制品的模具沿三維方向進(jìn)行單元分割,然后利用鋁合金鑄造成型技術(shù)制造鋁合金微元,然后采用螺栓組件或快速夾具對(duì)微分單元進(jìn)行組合安裝,拆模具時(shí),根據(jù)制品形狀可任意選擇開模。如圖12所示為采用此方法加工制造的模具。通過這種單元分割組合成型結(jié)構(gòu)和方法,可以將形狀負(fù)責(zé)的全塑車身模具化整為零,降低了車身模具整體加工的難度,且安裝組合方便,提高了裝模與脫模的效率,維修方便,此外,此種結(jié)構(gòu)方法可防止拆卸大塊復(fù)雜模具時(shí)模具錯(cuò)位和制品卡死現(xiàn)象的發(fā)生,提高了模具的使用壽命,并保證了制品的表觀質(zhì)量。6新能源汽車全塑植物運(yùn)動(dòng)學(xué)性能的改善(1)新能源汽車全塑汽車車身采用獨(dú)特的旋塑成型工藝成型復(fù)合材料車身,簡化了傳統(tǒng)的汽車車身制造工藝包括沖壓工藝、焊接工藝以及涂裝工藝,同時(shí)縮短了車身成型周期,簡化了成型設(shè)備,易于汽車的生產(chǎn)與研發(fā);(2)新能源汽車全塑汽車車身采用輕量化整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),以超輕纖維增強(qiáng)微分發(fā)泡技術(shù)實(shí)現(xiàn)全塑車身整體強(qiáng)化,以達(dá)到車身制品力學(xué)性能穩(wěn)定;(3)